一种干式空心电抗器匝间短路保护方法与流程

本发明涉及一种短路保护方法，尤其指一种干式空心电抗器匝间短路保护方法。

背景技术：

干式空心电抗器作为重要的调压设备，在电力系统中得到大量应用，对于断路器在首端的干式空心电抗器，其保护一般配置两段式过流保护。理论分析和仿真验证发现二段式过流保护存在较大的死区，当电抗器保护动作时，电抗器的烧损情况已非常严重。当电抗器一相由两台干式空心电抗器串联组成时，可能出现单台完全烧毁但保护不动的情况。在额定电压下，匝间短路50％以上，保护才会动作去切除故障，此时电抗器已烧损严重，不利于事故原因分析，当电抗器额定电压为110kv时，单相由两台电抗串联的结构使得单台电抗完全烧毁，保护也可能不动作。过流ⅱ段定值越大，保护死区越大、保护动作时电抗器烧损程度越严重。

例某一交流特高压变电站，其每台主变下设有两台电抗器，长期运行数据显示：当投入一台时，110kv母线电压在额定电压105kv附近；而当投入两台时，110kv母线电压在101kv附近，低于电抗器额定运行电压105kv。若此时发生匝间短路，短路电流应小于额定电压时的短路电流。而电抗器保护的最小动作定值为1.5ie，当2台电抗器同时投入或系统原因导致110kv母线电压偏低时，某相电抗器的一台发生匝间短路，即使100％匝间短路，故障电流也小于1.5ie，即保护不会动作！严重影响工作的稳定性、安全性与可靠性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种干式空心电抗器匝间短路保护方法，以达到保护电抗器的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

一种干式空心电抗器匝间短路保护方法，包括以下步骤：

1)采集干式空心电抗器相电流、线电压；

2)根据额定相电流、额定线电压及采集获得的干式空心电抗器相电流、线电压，计算实时的剩余电抗比；

3)根据实时的剩余电抗比，判断干式空心电抗器是否出现了匝间短路、匝间短路严重程度。

其中，剩余电抗比为：当电抗器匝间短路时，故障相未被短路的电抗值与额定电抗值之比。当电抗器未出现匝间短路时，剩余电抗比为1。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

进一步的，c相剩余电抗比的计算公式为：

式中：ic为c相实时电流，icn为c相额定电流；uab为ab相实时线电压，uabn为ab相额定线电压。其他相的剩余电抗比计算方式与c相相同。

进一步的，在步骤3)中，当剩余电抗比小于第一阈值时，进行保护发信；当剩余电抗比小于第二阈值时，进行保护跳闸，其中第一阈值大于第二阈值。

进一步的，第一阈值为0.92～0.82；第二阈值为0.82～0.72。

有益效果：本技术方案根据短路电流倍数与剩余电抗比的关系，通过采集干式空心电抗器相电流、线电压，结合已知的额定相电流、额定线电压，可计算出实时的剩余电抗比，即可判断干式空心电抗器是否出现了匝间短路、匝间短路严重程度。相比与目前的过流保护，保护死区可大大缩小，缩短了干式空心电抗器匝间短路的发现时间，提高了干式空心电抗器及其邻近设备的安全运行能力。

附图说明

图1是本发明的电抗器间隔一次接线图。

图2是本发明的电抗器匝间短路时电压向量示意图。

图3是本发明的仿真模型图。

图4是本发明电抗器50％匝间短路时相对地电压仿真图。

图5是本发明电抗器50％匝间短路时线电压仿真图。

图6是本发明电抗器100％匝间短路时相对地电压仿真图。

图7是本发明电抗器100％匝间短路时线电压仿真图。

图8是本发明短路电流倍数与剩余电抗比的关系图。

图9是本发明基于短路电流倍数与剩余电抗比关系的电抗器匝间短路保护逻辑图。

图10本发明流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

对于断路器在首端的干式空心电抗器，一次接线如图1所示，图为交流特高压站低压侧母线电压110kv，每相由两台独立的干式空心电抗器串联组成，额定电压105kv，两台间距2.6米。

配置单套二段式过流保护，其中过流ⅰ段定值6ie(二次值4.95a)，延时0.2s；过流ⅱ段定值1.5ie(二次值1.24a)，延时0.5s。电力系统中各电压等级干式空心电抗器保护均按此方法整定，过流ⅰ段定值一般为4ie--8ie，过流ⅱ段定值一般为1.5ie--2.0ie。

特高压站主变低压侧为不接地系统，当电抗器匝间短路时，负荷不对称，由于中性点偏移会产生零序电压即ua+ub+uc≠0，但是零序电压只在三角形内部流通，形成零序环流，零序电压将被零序环流在绕组漏抗上的电压降平衡，不会作用到外电路中去，绕组两端零序电压为零，就是中性点虽然偏移，但是线电压还是对称的，如图2所示，且uab＝uab’，ubc＝ubc’，uca＝uca’。

设xa＝xb＝xc＝2xl，c相匝间短路，剩余阻抗比为n，则xc＝n*2xl,负荷侧星三角变换：

故障相电流：

故障前额定电流：

则短路电流倍数

其中：短路电流倍数kie：匝间短路时，故障相电流与额定电流之比；

剩余电抗比n：当电抗器匝间短路时，故障相未被短路的电抗值与额定电抗值之比。

利用pscad/emtdc软件进行仿真分析如下：建立仿真模型，如图3所示；1000kv侧等效为大电源，电源电压1050kv，等值阻抗采用“华东500kv-1000kv电网综合阻抗(大方式)”中的安吉#2主变等值阻抗(zs*＝0.1280∠88.750,sb＝1000mva,ub＝1050kv)，500kv侧等效为一星形接线大负荷：2000mw+1000mvar(取自监控后台安吉#2主变某一时刻500kv侧负荷)。

进行110kv电抗器50％匝间短路时相对地电压仿真(如图4所示)、110kv电抗器50％匝间短路时线电压仿真(如图5所示)、110kv电抗器100％匝间短路时相对地电压仿真(如图6所示)、110kv电抗器100％匝间短路时线电压仿真(如图7所示)；

理论计算结果与仿真计算结果比较情况见表1、图8所示：

表1短路电流倍数与剩余电抗比的对应表

理论计算与仿真计算结果基本吻合，最大误差出现在完全匝间短路时，理论计算值k＝3，仿真计算值k＝2.89，此时误差为3.5％。

从表1、图8可以看出，当某相的一台电抗完全匝间短路，即剩余电抗比为50％时，故障相短路电流倍数的理论计算结果为1.5ie，仿真计算结果为1.48ie。

本技术方案的实现包括：

一、通过电抗器保护装置实现，其分为以下情况：

a)电抗器保护屏有电压输入时

根据上述的理论分析及仿真验证，发现干式空心电抗器匝间短路时，故障相的短路电流倍数与其剩余电抗比相关，剩余电抗比越小，短路电流倍数越大；短路电流大小还与工作电压相关，故障电压越高，故障电流越大。

以电抗器c相匝间短路为例：

额定电压运行时，c相电流为

运行电压与额定电压有偏差时，c相电流为

其中：ic为c相实时电流，icn为c相额定电流；

uab为实时线电压，uabn为额定线电压。

即，c相的短路电流大小由运行线电压及其剩余电抗比决定。c相的额定电流、额定线电压是固定的，在得到c相的实时电流、额定线电压后，可计算出剩余电抗比n，即可判断出c相是否出现了匝间短路及短路严重程度。

当ic>izs1时，对应n＝n1，保护发信；

当ic>izs2时，对应n＝n2，保护跳闸。

根据表1短路电流倍数与剩余电抗比的对应关系，合理选择izs1、izs2数值，如izs1＝1.07ie，izs2＝1.15ie，可将电抗器保护死区缩小到10％，大大小于目前的50％。

b)电抗器保护屏无电压输入时

若电抗器保护屏无电压输入，可将电流判据简化为

保护定值考虑运行电压波动±5％的带来影响，适当的放大定值，合理选择izs1、izs2数值，如izs1＝1.11ie，izs2＝1.20ie。运行电压波动-5％时，i'zs1＝1.11ie/0.95＝1.167ie，对应n＝0.784，保护不会拒动，死区为21.6％；运行电压波动+5％时，i'zs1＝1.11ie*0.95＝1.055ie，对应n＝0.922，保护不会误动，死区为7.8％。保护死区亦能缩小到比较理想的范围，仍然小于目前的水平。

当ic>izs1时，对应n＝n1，保护发信；

当ic>izs2时，对应n＝n2，保护跳闸。

二、通过变电站监控系统实现

变电站监控系统采集了电抗器运行相电流、电压信息，若监控系统增加电抗器三相剩余电抗比n遥测量及其越限告警功能，当监控系统判断电抗器匝间短路后发出告警信号，也能缩小保护死区，以某电抗器c相匝间短路为例，经理论分析及仿真验证确定：

剩余电抗比

其中：ic为c相实时电流，icn为c相额定电流；

uab为ab相实时线电压，uabn为ab相额定线电压；

根据表1短路电流倍数与剩余电抗比的对应关系，合理选择n1、n2数值，如择n1＝0.90、n2＝0.80，可将电抗器保护死区缩小到10％，大大小于目前的50％。

当n<n1时，保护发信；

当n<n2时，保护跳闸。

本技术方案的保护逻辑，如图9所示，基于短路电流倍数与剩余电抗比关系的电抗器匝间短路保护逻辑；通过电抗器保护装置实现且装置有电压输入时的逻辑，此时保护整定正常定值及tv断线后定值两套定值，分别对应电压输入正常及电压输入异常引起tv断线两种运行方式，出现tv断线后，保护定值自动从正常定值切换至tv断线定值，并取消图9中tv断线判据。当保护屏无电压输入时，图9中tv断线判据取消，保护整定一套定值。

若通过变电站监控系统实现，则图9中取消lp、sw、kg元件。

本方法实现流程见图10所示。其包括以下步骤：

1)采集干式空心电抗器相电流、线电压；

2)根据额定相电流、额定线电压及采集获得的干式空心电抗器相电流、线电压，计算实时的剩余电抗比；

3)根据实时的剩余电抗比，判断干式空心电抗器是否出现了匝间短路、匝间短路严重程度。

当无法获得电压输入，也可采用本方法，为避免运行电压波动带来保护误动，可适当的增大定值，保护死区也明显小于目前的水平。

本技术方案根据短路电流倍数与剩余电抗比的关系，通过采集干式空心电抗器相电流、线电压，结合已知的额定相电流、额定线电压，可计算出实时的剩余电抗比，即可判断干式空心电抗器是否出现了匝间短路、匝间短路严重程度。有效解决传统的二段式过流保护死区较大，一般在50％左右的情况，将死区降为10％以内，相比与目前的过流保护，极大的缩小了干式空心电抗器的保护死区，当电抗器发生轻微匝间短路时即可被识别，有利于减小电抗器的受损程度、为事后进行故障原因分析提供更多的证据。

本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行等同修改，均在本方案的保护范围之列。